Módulo 5. Mecanizado por arranque de viruta

Transcripción

1 p157 Módulo 5. Mecanizado por arranque de viruta Amelia Nápoles Alberro y Xavier Salueña Berna

2 p158 TECNOLOGÍA MECÁNICA

3 p INTRODUCCIÓN Por todo lo estudiado hasta ahora, se puede resumir que, según las características geométricas de las piezas a fabricar y las propiedades de sus materiales requeridas, existe una gran variedad de procesos de fabricación que dependen de los siguientes métodos de realización: Dar preforma. Ej. Fabricación de acero Transformar geometría. Ej. Forja. Separar. Ej. Mecanizado. Unir. Ej. Soldar. Recubrir. Ej. Pavonado Modificar propiedades. Tratamiento térmico. En este capitulo se estudiará el Mecanizado, proceso basado en el método de separar, a su vez dentro de este último se distinguen dos tipos: Dividir (cortar, entallar) y Arrancar (torneado, taladrado). El proceso de fabricación mediante mecanizado consiste en arrancar en forma de virutas o partículas, el exceso de material de un semiproducto previamente concebido, utilizando las máquinas y herramientas cortantes adecuadas, para conseguir la geometría de la pieza deseada y las especificaciones planteadas. La obtención de las dimensiones y geometría definitiva de una pieza mediante el arranque de viruta, se realiza partiendo de semiproductos fabricados por fundición, forja, laminación o por pulvimetalurgía, a los que, en algunos casos, se les han efectuado operaciones previas de doblado, soldadura u otras. Debido a que en ocasiones el mecanizado resulta ser un procedimiento bastante caro, la fabricación total de piezas por fundición, por deformación o por polvos metálicos, está siendo utilizados en mayor proporción. No obstante, hay que tener en cuenta que el método de arranque de viruta es el único que permite construir piezas con una exactitud del orden de micras, mientras que en los dos primeros la tolerancia oscila alrededor de ± 3 mm y en el tercero de ± 0,13 mm. Por otra parte en el mecanizado se obtienen acabados superficiales muy finos, como es en el caso de operaciones de rectificado, pulido, lapeado. A pesar de que todas las máquinas empleadas en la conformación de los materiales, por ejemplo las prensas y martinetes, pueden considerarse como máquinas herramientas, generalmente, se suelen denominar de esta manera a las que conforman por arranque de material, como son las taladradoras, fresadoras, tornos, etc. 2. MATERIALES MECANIZABLES De forma general, se puede resumir en tres grandes grupos los materiales mecanizables. Metales La mayoría de los metales y sus aleaciones pueden conformarse por arranque de material, sin embargo en algunas ocasiones es necesario aplicarle a estos un tratamiento térmico previo, debido a que no todos los materiales se dejan trabajar con igual facilidad, o sea que no tienen la misma maquinabilidad.

4 p160 TECNOLOGÍA MECÁNICA Generalmente los aceros son los materiales que más se conforman por mecanizado y a su vez los que presentan mayor complejidad al aplicárselo. Grupos de metales mecanizables: Aceros al carbono. Aceros aleados. Aceros inoxidables. Fundición. Aleaciones termo resistente y de alta resistencia. Aceros aleados de alta resistencia. Metales refractarios aleados. (Columbium, Tantalio, Molibdeno y Wolframio). Aceros al titanio aleados. Aceros aleados de alta resistencia en base cobalto o níquel. Aleaciones de Titanio Aleaciones de aluminio, cobre, níquel, magnesio, uranio,cinc. Composites (requiere herramientas especiales). Plásticos y compuestos plásticos Cerámicos, a los que preferiblemente se les aplica el mecanizado abrasivo Maquinabilidad de los metales La maquinabilidad se define como la capacidad de arrancar material de la pieza con un útil de corte o la habilidad del material a ser mecanizado, esta se evalúa mediante la realización de una serie de ensayos en los que se determina las siguientes características: La duración del afilado de la herramienta. La velocidad de corte que debe aplicarse La fuerza de corte en la herramienta / potencia. El trabajo de corte. La temperatura de corte. La producción de viruta. Acabado superficial. FACTORES QUE AFECTAN LA MAQUINABILIDAD: Material de la pieza. Composición química del material. Tipo de microestructura. Inclusiones. Dureza y resistencia. Ductilidad y acritud. Tamaño del grano. Conductividad térmica. Presencia de aditivos libres. Condiciones de corte. Arista de corte. Portaherramienta. Máquina herramienta. Operación. Régimen de corte

5 p161 Existen aceros de alta maquinabilidad, también denominados aceros automáticos, que se caracterizan por tener en su composición química una serie de aditivos libres como son el azufre, el plomo, el selenio, el manganeso y el fósforo. ANTECEDENTES DE LA PIEZA A MECANIZAR. Desde el punto de vista de las propiedades mecánicas favorables para el mecanizado, normalmente las piezas han sido sometidas a procesos térmicos como el laminado en caliente, normalizado, recocido y estirado en frío, excepcionalmente han sido templadas, ya que con este proceso, estas se han endurecido, lo cual no facilita la maquinabilidad. 3. PROCEDIMIENTOS EMPLEADOS EN EL ARRANQUE DE MATERIAL Las máquinas herramientas para efectuar el mecanizado se basan en los siguientes procedimientos: Mediante cuchillas. Mediante abrasivos. Mediante chispas eléctricas. Mediante ultrasonidos. Mediante un chorro electrónico que volatiliza el material. Mediante electrólisis dirigida. Exceptuando el corte mediante cuchillas, en el que el material arrancado aparece formando tiras fragmentadas (si este es frágil) o continuas (si este es muy dúctil), en el resto de procedimientos se desprenden pequeñísimas partículas. Movimientos que se realizan en el mecanizado El arranque de viruta o partícula se realiza mediante la penetración de una herramienta, cuyo material es de mayor dureza que el de la pieza a cortar. Este enclavamiento ocurre mientras se efectúa el movimiento relativo entre la pieza a trabajar y la herramienta de corte, como se muestra en la figura 1. Figura 1. Giro y penetración de la broca en la superficie de la pieza. TIPOS DE MOVIMIENTOS A REALIZAR EN EL MECANIZADO. Movimiento de corte: Es el que permite que la herramienta penetre en el material, produciendo viruta, y se identifica a través del parámetro Velocidad de corte.

6 p162 TECNOLOGÍA MECÁNICA Movimiento avance: Es el desplazamiento del punto de aplicación de corte, identificado a través del parámetro Velocidad de avance. Movimiento de alimentación: Es con el que se consigue cortar un espesor de material, identificado a través del parámetro Profundidad de pasada. La herramienta y la pieza se fijan a la máquina, esta última es la encargada de transmitirle a las primeras, el movimiento de corte y el de avance, ya sean de rotación o traslación, indistintamente, dependiendo del tipo de trabajo a realizar y de la máquina que lo ejecuta. Por ejemplo en un torno universal, el movimiento de corte lo ejecuta la pieza cuando gira, el movimiento de avance es el desplazamiento de la herramienta en la dirección longitudinal o transversal, y por último el de alimentación, esta última lo realiza en la dirección perpendicular al de avance. Tipos de mecanizado. Según el acabado superficial con el que se ha de obtener la pieza terminada, se distinguen tres tipos de mecanizado: Desbastado: El material eliminado es del orden de milímetros o décimas de milímetros, cuya finalidad es aproximar las dimensiones de la pieza a la medida final, en el menor tiempo posible desplazando la cuchilla de corte con altas velocidades de avance y de corte. Acabado: Con el objetivo de obtener, no solo las medidas finales de la pieza, sino también poca rugosidad en la superficie, el material eliminado es del orden de centésimas de milímetro utilizando cuchillas de corte que trabajaran con velocidades de avance bajas y velocidades de corte más altas que en el desbaste. Superacabado o rectificado: Con la finalidad de alcanzar medidas muy precisas y buen acabado superficial, el material rebajado es del orden de milésimas de milímetro y las velocidades de avance y de corte, con que se trabaja son muy altas, desprendiéndose partículas de material por abrasión. Teniendo en cuenta el tipo de pieza a elaborar, la operación a aplicar, el acabado requerido y la máquina que lo realiza, existen diversos procesos de mecanizado, de los cuales en la tabla 1 se muestran los más usuales. Las fotos que se muestran en la tabla 1, han sido extraídas de los catálogos ofrecidos por cortesía de las siguientes las empresas: Manual Sandvik Coromant. Estarta Rectificadora S. Coop. Hitachi Seiki Co., Ltd. Euro Sprint, Rectificadoras. Danobat, División de Sierras. Pferd Rüggeberg, S. A. Muelas con mango. Gurutzpe, Máquinas Herramienta. Heidenreich & Harbeck, Makino. Máquinas de Eelctroerosión. Laserlan, Corte de presición con láser. Couth, MC 2000.

7 p163 TIPO DE TIPOS DE PROCESOS GEOMETRÍA DESBASTE y ACABADO (Virutas) SUPERACABADO (Partículas) GENERADA Denominación Movimiento Denominación Movimiento Cilindrado Rectificado Torneado (Exterior) Cilíndrico Exterior Refrentado Mandrinado Superficies (Interior) La pieza gira y la Rotación de la de Ranurado herramienta se pieza y de la revolución Roscado desplaza. herramienta (1) Torneado de forma Fresado Frontal Cilíndrico Ranura La herramienta gira y la pieza se desplaza. (2) Rectificado plano La herramienta gira y la pieza se desplaza. Superficies planas (3) Contorno Cizalladora Cepilladora Limadora Mortajadora La herramienta y la pieza se desplazan. (4) Sierra Alternativa (5) Sierra de disco (6) Aserrado La herramienta gira y/o se desplaza Agujeros Taladrado y Mandrinado (7) Punteado Barrenado Avellanado Bruñido Escariado La herramienta gira y se desplaza. Rectificado Cilíndrico Interior Lapeado La herramienta gira y la pieza se desplaza. Electroerosión Penetración Hilo Amolado Contorno irregular La herramienta y la pieza se desplazan. La herramienta gira y se desplaza. Otros (8) (8) Oxicorte Corte por Láser (9) Electromecanizado (10) Corte por plasma Ultrasónico (6) (9) (10) Tabla 1. Principales procesos de mecanizado.

8 p164 TECNOLOGÍA MECÁNICA 4. PROCESO DE ARRANQUE DE MATERIAL POR MEDIO DE CUCHILLAS De los procedimientos utilizados para el mecanizado, en este capitulo se estudiará el mecanizado mediante cuchillas, donde el material arrancado se presenta en forma de virutas. Concretamente se profundizará en los procesos de Torneado de desbaste, Torneado de acabado y Taladrado. Las características de las cuchillas utilizadas en el proceso de arranque de viruta se basan fundamentalmente en el buril, que fue la primera herramienta utilizada para este fin, y como se observa en la figura 2, no es más que una barra rectangular de acero, afilada en su extremo como un diedro. Superficie de ataque Viruta Buril Superficie de incidencia Pieza Figura 2. Corte de pieza con buril. La forma de la herramienta para cada trabajo se selecciona según las operaciones específicas a realizar y la máquina herramienta correspondiente. Formación de la viruta El arranque de viruta ocurre cuando el filo de la herramienta produce primeramente la deformación elástica de la parte de metal que se convertirá en viruta, surgiendo grandes tensiones a medida que se aproximan y luego una vez que el material supera la tensión de fluencia, ocurre la separación de la capa debido a la deformación plástica. Para realizar cualquier operación de mecanizado es importante controlar la formación de la viruta, con el objetivo de garantizar que esta sea rota adecuadamente y conocer el tipo de viruta que se formará, ya que esta indica el tipo de comportamiento que manifiestan los diferentes metales ante la acción de la cuchilla de corte y por ende que temperaturas y fuerzas serán generadas. Las temperaturas alcanzadas durante el corte, tanto en la pieza como en la herramienta, no deben ser muy altas, ya que pueden influir negativamente, y las fuerzas que se producen condicionan la potencia necesaria para realizar el proceso. Tipos de viruta: Viruta continua de bordes lisos: aparece en materiales dúctiles, aplicando avances y profundidades pequeñas y velocidades de corte altas, superficies de ataque muy pulida, bajo coeficiente de rozamiento, alta resistencia al desgaste y refrigeración considerable. Con este tipo de viruta se obtiene buen acabado. Viruta continua de caras irregulares: aparece en materiales dúctiles, pero con grandes avances y velocidades de corte pequeñas y la refrigeración es insuficiente o nula. El alto rozamiento entre viruta y herramienta desprende pequeñas partículas que se adhieren a la herramienta, originando un recrecimiento del filo que luego se rompe en dos, una se adhiere a la pieza y otra la viruta, provocando que la superficie mecanizada sea rugosa.

9 p165 Viruta discontinua: ocurre en materiales frágiles, con ángulos de afilados y velocidades de corte pequeñas, con avances y profundidades de corte grandes, elevada fricción entre herramienta y viruta. Parámetros que influyen sobre la formación de viruta: Material de la pieza y de la herramienta. Diseño de la geometría de corte. Refrigeración y lubricación en el proceso de corte. Vida útil de la herramienta. Características de las herramientas de corte Funciones que deben cumplir las herramientas de corte, según el requerimiento planteado: Garantizar la obtención de medidas precisas y superficies bien acabadas. Mecanizar cualquier tipo de material. Ofrecer máximo rendimiento con el mínimo desgaste. Disponer de una larga duración del filo de corte, ya que se ahorran afilados. Lograr que la viruta salga fácilmente. Capaz de absorber elevadas temperaturas. Soportar grandes esfuerzos de corte sin deformarse. Resistentes al desgaste. Estas prestaciones se alcanzan haciendo una selección adecuada del material y de la geometría de las herramientas, basándose en los siguientes aspectos: Tipo de operación a realizar. Tipo de material de la pieza. Tipo de herramienta y máquina a utilizar. Por ejemplo en un centro de torneado de alta velocidad no es posible utilizar una herramienta de acero al carbono, así como también si se quisiera mecanizar piezas templadas. Propiedades que den poseer los materiales para herramientas: Tenacidad (resistencia al choque). Resistencia al desgaste. Dureza en caliente. Químicamente inerte con la pieza. Químicamente inerte estable ante la oxidación y disolución. A manera de información se mencionarán todos los materiales de herramientas hasta ahora utilizados, teniendo en cuenta que, con el desarrollo alcanzado en la tecnología de los materiales (concretamente de las herramientas de corte) y en las máquinas herramientas, algunos son muy pocos utilizados. Hay que señalar que esta evolución ha ocurrido a lo largo de todo el siglo veinte, haciéndose más notoria a partir de la década del treinta. No solo han surgido novedosos materiales, sino que también se han mejorado los existentes, siempre persiguiendo alcanzar velocidades de corte cada vez más elevadas. También este desarrollo ha sido posible por los avances en otras áreas como son: sistemas de fijación de piezas y de herramientas, técnicas informatizadas y de medición. En la figura 3 están representados todos y cada uno de los materiales existentes, no solo de manera cronológica, sino que también, en función del tiempo (eje de ordenadas) que tardaba en mecanizarse una pieza patrón.

10 p166 TECNOLOGÍA MECÁNICA Figura 3. Evolución del rendimiento de los materiales para herramientas, cortesía de Sandvik Coromant. En la figura 4 se representa el desarrollo alcanzado por las máquinas herramientas y sus aplicaciones. Figura 4. Desarrollo de las aplicaciones industriales, cortesía de Sandvik Coromant. Por supuesto que desde 1990 hasta la fecha han ocurrido cambios significativos no solo en la versatilidad de la fabricación en las máquinas sino también en el desarrollo de técnicas asistidas por computadora de diseño (de piezas y herramientas), de manufactura y de ingeniería, formando un conjunto identificado por las siglas CAD-CAM-CAE, y que a su vez se resumen en el concepto CIM: Manufactura Integrada por Computadora. Estas técnicas se resumen de manera general en el último capítulo. Materiales para herramientas de corte. Para cada operación de mecanizado, que se aplicará a un material determinado, existe un material de herramientas que la ejecute de forma óptima.

11 p167 Materiales: Aceros al carbono: Aceros con un contenido en carbono de entre 0,5 y 1,4%. La templabilidad es pequeña por lo que son propensos a grietas y deformaciones. Pertenecen al grupo del F-510. Aceros aleados: Pertenecen a los grupos F-520 y F-530. Contienen además de carbono Cr y W. El temple se realiza a 800ºC y el revenido entre 200ºC y 300ºC por lo que es más tenaz y duro que el acero al carbono. Aún así resiste poco las elevadas temperaturas (superiores a 280ºC) por lo que se emplean normalmente en acabados y para metales poco duros. Ver tablas de aceros al carbono y aleados del autor Arias Lasheras. Estos dos primeros aceros, debido a los bajos niveles de aleación tienen muy poca dureza en caliente por lo que no se utilizan actualmente excepto en condiciones de velocidades muy bajas. Aceros rápidos: Pertenecen al grupo F-550. Existen dos tipos, aceros rápidos al Wolframio o de Cobalto lo cual hace mejorar sus condiciones de corte. Contiene también cromo molibdeno y vanadio. Tienen mayor dureza que los anteriores y pueden trabajar a temperaturas de hasta 600ºC. Las velocidades de corte pueden así ser mayores. Generalmente, todo el cuerpo de la herramienta suele fabricarse con el mismo material, es decir son enterizas. Aceros rápidos mejorados o de alta velocidad: Se identifican con las siglas HSS del inglés High Speed Steel. Son aceros de herramientas altamente aleados. Existen dos tipos: - De Tugnsteno, designado como grado T por American Iron and Steel Institute (AISI). - De Molibdeno, designado como grado M por American Iron and Steel Institute (AISI) Adecuado para herramientas de forma complicada: Brocas, Tarrajas, Fresas de vástago. En ocasiones se recubren con una película de Titanio, mediante el método Deposición Física de Vapor (PVD). Aleaciones no ferrosas: Denominados Estelitas. No son aceros, sino aleaciones de cobalto, cromo y wolframio con otros elementos en menor porcentaje, hierro, carbono, silicio y manganeso. Soportan temperaturas de hasta 700 ºc. La estelita más conocida es la alacrita. Aunque son de mayor dureza que los aceros rápidos, dada su fragilidad (no admiten tratamientos térmicos) han sido sustituidas por los metales duros, están en desuso. Metales duros: Cermets, Carburos cementados y Carburos recubiertos Los tres metales duros están clasificados técnicamente como compuestos Cermets, que significa partículas de cerámica en aglomerante metálico, lo único que el término propiamente se aplica a los compuestos cerámicos metálicos que contienen carburo y nitruro de titanio (TiC, TiN) y otros materiales cerámicos. - Carburos cementados: Son cermets basados en Carburos de Tugnsteno y cobalto (WC- Co), conocidos como carburos de uso común. Es un producto pulvimetalúrgico que consiste en carburos metálicos sinterizados y se les llama comúnmente WIDIA, del alemán wi (como) y dia (diamante), ya que alcanzan una dureza de 90HRc, próxima a la del diamante. Tienen gran dureza y resistencia a las altas temperaturas (soportan hasta 800ºC) por lo que se puede trabajar a elevadas velocidades de corte. El único problema que se plantea es su fragilidad por lo que se ha de tener cuidado con los golpes y vibraciones de trabajo, sobre todo si tienen titanio.

12 p168 TECNOLOGÍA MECÁNICA Existen dos tipos: 1. Carburos de Tugnsteno (Wolframio) (WC) y cobalto (Co) como elemento aglutinante. Designados como TH, BT, GT. Se utilizan para el mecanizado de aluminio, latón, cobre, magnesio, y otros metales no ferrosos, en ocasiones se usa para el hierro fundido, no incluyen el acero. 2. Además de WC tiene otros compuestos como son los carburos de titanio (TiC) y tántalo (TaC), designados como TT y AT. Se utilizan para el mecanizado de Acero bajo en carbono, inoxidable y otras. - Cermets: Estos excluyen los compuestos metálicos que se basan principalmente en WC- Co. Consiste en combinaciones de carburos de titanio (TiC), nitruro de titanio (TiN) y carbonitruro de titanio (TiCN), usando níquel y/o molibdeno como elemento aglutinante, carburos de niobio (NaC). Se usa en el mecanizado de fundiciones de hierro, aceros y aceros inoxidables. No son apropiados para operaciones de perfilado, pero sí en copiado ligero, donde el criterio fundamental es el acabado y también donde se quiera aumentar la productividad en operaciones especiales. - Carburos recubiertos: Son carburos cementados recubiertos de una o más capas de carburos de titanio (TiC) [es gris], nitruro de titanio (TiN) [es dorado], carbonitruro de titanio (TiCN) y de oxido de aluminio-cerámica (Al 2 O 3 ) [es transparente]. El método utilizado para recubrir es el de Deposición Química de Vapor (CVD). Posee una alta resistencia al desgaste al igual que los anteriores pero sin disminuir la tenacidad. Este tipo de material debe usarse para la mayoría de operaciones de torneado, fresado y taladrado y para casi todos los materiales de piezas. Cerámicas de corte Existen dos tipos: 1. Con base en óxidos de aluminio (alúmina) (Al 2 O 3 ) a los que se adiciona óxido de cromo o titanio por sinterización. 2. Con base en nitruro de silicio (Si 3 N 4 ). Son herramientas resistentes a elevadas temperaturas (superiores a 1200ºC). Pueden trabajar a grandes velocidades de corte y con grandes profundidades de pasada (5 mm) y no reaccionan con el material de la pieza. Las superficies resultan brillantes en operaciones de acabado. Se presentan en plaquitas, las cuales son muy frágiles y deben utilizarse en máquinas de bajo nivel de vibración. Mayormente se utilizan en el mecanizado de fundición gris y nodular, aceros duros y aleaciones termoresistentes, aunque aún hay porcentaje pequeño de herramientas de este tipo Diamante polocristalino sintetico (PCD). Solo le supera en dureza el diamante natural monocristalino. Debido a que son muy caras y frágiles son empleadas en contadas ocasiones y en máquinas rígidas que trabajan a grandes velocidades pero con profundidades y avances muy pequeños. Tiene una gran resistencia al desgaste por abrasión, por lo que se utiliza en las muelas de rectificar para obtener acabados superficiales de gran precisión. Se usa para el torneado y fresado principalmente de aleaciones de aluminio y silicio. Las plaquitas de PCD se sueldan a las de metal duro, proporcionando mayor resistencia al choque y además mayor vida útil de la herramienta. Tienen como desventaja que no se pueden usar en materiales ferrosos debido a su afinidad, tampoco en materiales tenaces y de alta resistencia a la tracción, y en la zona de corte la temperatura no debe ser superior a 600 ºc.

13 p169 Nitruro de boro cúbico (CBN). Ocupa el segundo lugar en cuanto a dureza, después del diamante, es frágil pero su tenacidad es superior a la de las cerámicas, sin embargo su dureza en caliente y su estabilidad química no supera a las de esta. Se aplica en el corte de aceros forjados, aleaciones de alta resistencia al calor, aceros y fundiciones endurecidas, con durezas mayores que 48 HRc (si la pieza tiene muy poca dureza, se desgasta excesivamente la herramienta) y en metales pulvimetalúrgicos con cobalto y hierro. Se obtienen muy buenos acabados superficiales, por lo que elimina una operación de rectificado. Coronite. Es un material nuevo, intermedio entre el acero rápido y el metal duro, ya que combina la tenacidad del primero con la resistencia al desgaste del segundo. Su propiedad principal es el tamaño de grano extremadamente fino, que es el que da la dureza. Se aplica principalmente al mecanizado de aceros y también en aleaciones de base titanio y otras aleaciones ligeras y generalmente solo se usa para construir fresas de ranurar. Con una técnica especial, los pequeños granos de TiN son repartidos uniformemente en una matriz de acero termotratable, esta mezcla representa entre un 35 y 60 % de todo el material, por lo tanto el material duro dominante de coronite es el TiN. No se fabrican enterizas, tiene un núcleo de acero rápido o de muelles, que se recubre con polvo de coronite (producido adicionando nitrógeno en un horno de doble cámara) y se prensa, formando un solo cuerpo frágil, por último es recubierto con TiCN o con TiN. Coronite presenta propiedades ventajosas respecto a las del acero rápido y el metal duro, por ejemplo manifiesta mayor duración y fiabilidad del filo, puede utilizarse en la mayoría de los materiales de piezas y en un número considerable de operaciones, se consiguen magníficos acabados superficiales. Clasificación de las plaquitas de metal duro Para la gran variedad de metales duros que existen, cada fabricante le ha asignado una denominación diferente, pero la selección por parte de los usuarios, requiere de un sistema de clasificación que indique las operaciones, condiciones y materiales a trabajar. La norma ISO estableció una clasificación según sus aplicaciones, dividiéndolo en tres grupos identificados con colores y letras y números. Los grupos de herramientas son: P- Azul, M- Amarillo, K- Rojo. En ocasiones los fabricantes suministradores de herramientas aporta unas tablas, en las que para cada grupo están indicadas gráficamente las distintas áreas de aplicación, mediante un símbolo ( ) que especifica con un punto optimo la parte del área más adecuada. Esta simbología no informa nada acerca de las calidades individuales que puede haber dentro del mismo código. Por ejemplo una plaquita P20 puede ser un carburo cementado con o sin recubrimiento o ser un cermet. Por lo que, si no se indica otra especificación de calidad del producto, existe un gran número de posibilidades con diferentes comportamientos que reportan distintos resultados económicos. De aquí que la clasificación ISO sea un punto de partida a tener en cuenta en la selección de la herramienta y de las posibles calidades, para una determinada aplicación. Luego, se deben cotejar las descripciones detalladas de calidad de los materiales que aporta cada suministrador, con las de la operación a realizar, para finalmente hacer la elección, teniendo como objetivo, conseguir el costo de mecanizado más ahorrativo. La clasificación ISO no hace referencia a las Cerámicas, Coronite, CBN o PCD. La identificación numérica permite seleccionar a priori según dos propiedades mecánicas de la plaquita y según el tipo de operación: Desbaste o Acabado. Las plaquitas van enumeradas de forma que, a menor número implica mayor dureza y menor tenacidad, alta velocidad de corte, pequeña sección de viruta y operación de acabado y a mayor número implica menor dureza, mayor tenacidad, velocidad de corte lenta, mayor sección de viruta y operación de desbaste.

14 p170 TECNOLOGÍA MECÁNICA Tipo de plaquita Aplicaciones generales Grupo (Según operación: desbaste o acabado) Característica mecánica P M K Mecanizado de aceros, aceros fundidos, aceros inoxidables y fundiciones maleables. (viruta larga) Mecanizado de aceros inoxidables austeníticos, aceros al manganeso, materiales resistentes al calor, aleaciones de hierro fundido, etc. (viruta larga y corta) Mecanizado de fundición gris y fundiciones duras de coquilla, aceros duros y metales no ferrosos como el aluminio, bronce, no metales como los plásticos, madera, ebonita, materiales termoplasticos. (viruta corta) Grupo 01: Corresponde al torneado y mandrinado de acabado, sin cortes intermitentes y a elevadas velocidades de corte, avances pequeños y pequeñas profundidades de corte. Grupo 25: Se considera el campo medio, es el área de semidesbaste o semiacabado. Grupo 50: Para operaciones de desbastes, que arrancan gran volumen de viruta y trabajan a bajas velocidades de corte. Resistencia al desgaste Tenacidad Tabla 2. Aplicaciones generales de las plaquitas de metal duro. (la magnitud de la resistencia y la tenacidad aumenta en la dirección de las flechas).

15 p171 En la tabla 3 se presentan más detalladas las aplicaciones y condiciones de corte. Designación P01 PIO P20 P30 P40 P50 MIO M20 M30 M40 K0l KIO K20 K30 K40 Aplicación Torneado y mandrinado en acabado, elevadas velocidades de corte, sección de viruta pequeña, muy buena precisión y calidad superficial, exento de vibraciones. Torneado por copiado, roscado, fresado, grandes velocidades de corte, sección de viruta entre pequeña y mediana. Torneado, copiado, fresado, velocidades de corte medias y viruta de sección media, refrentados ligeros. Avances medios. Torneado, fresado, y cepillado a velocidades de corte de medias y pequeñas, viruta de sección media a grande, incluyendo operaciones bajo condiciones desfavorables. Avances medios y grandes. Torneado, cepillado, fresado, mortajado, con bajas velocidades de corte bajas y avances grandes, amplia sección de viruta, posibles elevados ángulos de desprendimiento y en condiciones muy desfavorables. Torneado, cepillado, mortajado, ranurado, tronzado, donde se requiera una gran tenacidad de la herramienta, pequeñas velocidades de corte, sección de viruta grande, posibilidad de utilizar grandes ángulos de desprendimiento, operaciones en condiciones extremadamente desfavorables. Torneado, velocidades de corte de medias y altas, sección de virutas de pequeñas a medianas y avances bajos y medios. Torneado, fresado, avances y velocidades de corte medias y sección de viruta mediana. Torneado, fresado, cepillado a velocidades de corte media y avances intermedios y grandes, sección de viruta de mediana a gruesa. Torneado, perfilado, tronzado, para trabajos en especialmente en máquinas automáticas. Torneado de desbaste y acabado, mandrinado y fresado en acabado, rasqueteado. Torneado, fresado, taladrado, mandrinado, escariado, brochado, rasqueteado. Operaciones que necesitan una herramienta con alta tenacidad. Torneado, fresado, cepillado, mandrinado, escariado, brochado, Torneado, fresado, cepillado, tronzado, ranurado y mortajado. Posibilidad de usar grandes ángulos de desprendimiento en condiciones desfavorables. Torneado, fresado, cepillado, tronzado, mortajado en condiciones muy desfavorables. y posibilidades de ángulos de desprendimiento muy grandes. Tabla 3. Identificación de la calidad de la plaquita según todas las especificaciones. Las condiciones desfavorables pueden ser en cuanto a: piezas o material difícil de mecanizar, a diferente profundidad de corte, vibraciones, corte interrumpido, a durezas variables, otros. Como se ha visto, a partir de los metales duros, dado su alto coste, la parte cortante de las herramientas se construye en forma de plaquita, ésta luego se suelda al soporte de la herramienta o se fijan por medios mecánicos. En la foto de la figura 5 se ilustran diferentes formas de plaquitas.

16 p172 TECNOLOGÍA MECÁNICA Figura 5. Diferentes formas de plaquitas de metal duro, cortesía de Sandvik Coromant. Geometría del filo de corte Como se ha visto anteriormente, la geometría básica de la herramienta de corte es en forma de cuña, cuyo filo cortante es el encargado de separar la viruta de la pieza. Según el número de filos cortantes de las herramientas, estas se dividen en dos grupos: Herramientas de corte único, por ejemplo cuchillas de tornear, cepillar. Herramientas de corte múltiple, por ejemplo brocas, fresas, escariador. La geometría del filo de corte depende de: Dureza del material con el que se trabaja. Material de la herramienta. Clase de trabajo a realizar. Basta con estudiar la geometría del filo de las herramientas simples, ya que este es el mismo para las múltiples, lo que aplicado a cada filo, por eso se tomará como ejemplo la cuchilla de tornear. La dimensión, forma y posición de las partes de la herramienta están dadas según un sistema de ejes ortogonales, cuyo punto cero está en la punta del filo. Este sistema es de utilidad para identificar los diferentes ángulos del filo de la herramienta y los parámetros de corte establecidos por los movimientos que se ejecutan en el proceso (a, p y Vc), así como también para conocer el comportamiento de la herramienta durante su funcionamiento y calcular las componentes de la fuerza generada en el corte. Superficie de Corte Planos de referencia Corte (Vc) Z Superficie de Trabajo PC PN X Avance (a) Y Profundidad (p) PR Figura 6. Planos de referencia y movimientos de trabajo en el torno.

17 p173 A partir de este sistema ortogonal se establecen los siguientes planos de referencia de la herramienta: Plano de referencia: Paralelo a la base de la herramienta. PR. Plano de corte: Es perpendicular al de referencia y contiene la arista de corte principal. PC. Plano de profundidad: Es perpendicular a los dos primeros y tangente a la generatriz de la pieza. PN. Geometría de la cuchilla de tornear. Superficie de Ataque Superficie de Incidencia (oculta) Filo de Corte Principal Filo de Corte Secundario Superficie de Incidencia Secundaria Cuerpo Figura 7. Elementos de la cuchilla de tornear. Ángulos característicos del filo de la herramienta. Ángulo de incidencia principal (α). Ángulo de filo (β). Ángulo de desprendimiento o de ataque (γ). Ángulo de corte δ. Ángulo de punta. (ε) Ángulo de inclinación de arista. Ángulo de inclinación (λ). Ángulo de posición principal (χ). Ángulo de posición secundaria (χ1). Ángulo de oblicuidad del filo principal (θ). α + β + γ = 90º. δ = α + β Si la herramienta es recta χ = θ θ Figura 8. Ángulos de la cuchilla de tornear.

18 p174 TECNOLOGÍA MECÁNICA Material Resistencia Material de la Cuchilla de la o dureza HSS MD Pieza Kg/ mm 2 o HB α γ β α γ β Acero suave Acero semiduro Acero duro Acero duro Acero aleado Acero fundido Acero fundido duro Fundición gris 180 HB Fundición dura 220 HB Cobre HB Latón HB Bronce 100 HB Aluminio Aluminio aleado Aleación de magnesio Goma dura Porcelana Ángulo de posición: χ = 30: 45 º En máquinas potentes con pasada sin vibración. χ = 65: 70 º Para trabajos varios. χ = 90º Piezas poco rígidas. Ángulo de inclinación: λ puede ser positivo, negativo o cero. Tabla 4. Valores recomendados para los ángulos de la cuchilla. Influencia que ejercen los ángulos característicos Ángulo de filo: Para materiales duros el ángulo de corte debe ser grande para dar robustez. Para materiales blandos el ángulo de corte puede ser menor. Este ángulo será diferente en función del tipo de trabajo a realizar. Ángulo de incidencia: Si es grande el filo resultará más débil y si es pequeño tiene un mayor rozamiento dificultando la penetración y arranque de material con elevación considerable de la temperatura. Hemos de escoger un ángulo intermedio. Ángulo de desprendimiento: Si el ángulo es excesivamente pequeño la separación de viruta es más dificultosa al tener que salvar una pendiente más pronunciada. Si el ángulo es demasiado grande la viruta se desprende muy bien pero a costa de desgastar el filo. Para la elección del ángulo de incidencia y de desprendimiento óptimos nos guiaremos por la siguiente tabla que depende del material de la pieza y el tipo de herramienta.

19 p PROCESO DE TORNEADO Tipos de tornos que existen: Tornos paralelos de cilindrar y roscar. Tornos de sobremesa. Tornos copiadores. Tornos verticales. Tornos frontales. Tornos revolver. Tornos automáticos monohusillo y multihusillo. Tornos especiales: para ejes de ferrocarril, ejes de levas, relojeros. Tornos horizontales con CNC. Tornos verticales con CNC. Tipos de cuchilla de tornear según la dirección del avance Existen varias teorías que definen el tipo de cuchilla de tornear en cuanto a la dirección del avance y todas válidas. Aquí se expresa la que se considera más intuitiva. Las cuchillas de torno se clasifican en derechas e izquierdas, según la regla de la mano derecha e izquierdas respectivamente, teniendo en cuenta la posición del filo principal con respecto a la dirección del avance y la del dedo pulgar de la mano correspondiente. Filo Principal Sentido de avance Filo Principal Cuchilla Derecha Cuchilla Izquierda Figura 9. Tipos de la cuchilla de tornear. Operaciones de torneado Existen diferentes operaciones de torneado como las que se muestran.

20 p176 TECNOLOGÍA MECÁNICA En la figura 10 están representadas las operaciones de torno más comunes: Cilindrado a Izquierda. Cilindrado a Derecha. Cilindrado de forma Ranurado y Tronzado. Roscado. Taladrado. Mandrinado. Ranurado Interior. Roscado Interior. Pieza a mecanizar Herramientas de mecanizado exterior Cuchilla de cilindrar y refrentar derecha Cuchilla de Cilindrar y refrentar izquierda Cuchilla de roscar Cuchilla de ranurar y tronzar Cuchilla de forma

21 p177 Herramientas de mecanizado interior Cuchilla de mandrinar Cuchilla de ranurar interior Cuchilla de roscar interior Broca Figura 10. Operaciones de torno, indicadas con número sobre el dibujo de la pieza. 6. OPERACIONES EN TORNEADO SEGÚN LA CANTIDAD DE MATERIAL ARRANCADO POR ETAPA Consiste en arrancar material de nuestra pieza mediante unas herramientas determinadas para conseguir unas dimensiones deseadas. Podemos distinguir en el torneado 2 fases dependiendo de la cantidad de material que se arranca en cada etapa o pasada. Desbastado: Mediante herramientas de corte de viruta de cuchillas con avances rápidos rebajamos el material del orden de milímetros hasta ajustar la medida a un milímetro o décimas de milímetros. Acabado: Mediante herramientas de corte de viruta de cuchillas con avances lentos y velocidades de corte rápidas rebajamos material del orden de centésimas de milímetro. 7. CÁLCULO DE MOVIMIENTOS EN TORNEADO Calcularemos los movimientos en el caso de un torneado de cilindrado para el desbaste y el acabado. Los cálculos para el avance, la profundidad, el diámetro medio, la velocidad de corte y la velocidad de avance, son diferentes para acabado o para desbaste por lo que distinguiremos claramente la forma de abordarlos. Los tiempos del proceso, costos, fuerzas y potencias de corte se estudian conjuntamente, ya que no hay diferencia. Avance y profundidad de corte Avance y profundidad de corte en torneado de desbaste. Cuando queremos obtener una pieza cilíndrica se suele partir de un redondo de material cortado. Estos redondos son de una medida estándar y se eligen en función de la pieza a obtener. Como ya se ha comentado se suelen realizar dos operaciones el desbaste y el acabado. En el desbaste se elimina la mayor parte del material sobrante sin preocuparse de la rugosidad. Esta es la forma de arrancar mucha viruta de forma rápida. El desbaste puede hacerse en varias pasadas, es decir, la herramienta va arrancando capas de material de una misma zona en etapas sucesivas, pero nosotros siempre calcularemos el desbaste para una etapa o pasada. Aunque en desbaste la rugosidad no importa a priori, si importa en la última pasada de desbaste en que se debe cumplir siempre que la rugosidad del desbaste R sea menor que la profundidad del acabado p a es decir: R < p a. Es preciso que esto se cumpla ya que si R es mayor que p a la herramienta en el desbaste profundizará mucho y al hacer el acabado quedarán picos por debajo y por lo tanto rugosidad más elevada.

22 p178 TECNOLOGÍA MECÁNICA R<p a º R>p a Desbastaremos la pieza dejando p a desde la superficie para proceder después con el acabado. La profundidad que alcanzamos con el desbaste se le denomina profundidad de desbaste p d. La punta de la herramienta La punta de la herramienta puede ser quebrada o redondeada. Si la punta es quebrada En desbaste sabemos qué rugosidad media Ra deseamos, ya que R < p a. Y como aproximadamente R = 4 Ra podemos deducir la Ra. Por otro lado a partir del dibujo podemos hallar el avance del desgaste a d. En el primer caso más general, a d = (R/tagX) + (R/tagX ) En el que X = 90º tenemos que a d = (R/tagX ) A partir de a d obtenemos p d = 5 a d Si la punta es redondeada Se introduce una herramienta cuya punta no es quebrada sino que posee una redondez de radio r (denominado radio de acuerdo).

23 p179 Se supone que el avance viene determinado por la hipótesis que permite introducir sólo la parte curvilínea de la herramienta en la pieza, esto nos da que debe cumplir la condición: a d ε 2r cos 2 Donde r es el radio de acuerdo y ε el ángulo de punta. De igual forma también se debe cumplir que: p d > r Si se cumplen ambas podemos aplicar la fórmula: = 32.. r.10 3 a d Ra (mm) Donde Ra (µm) es la rugosidad media teórica que queremos conseguir y r (mm) es el radio de acuerdo. A partir de a d obtenemos p d = 5 a d Avance y profundidad de corte en torneado de acabado Cuando mecanizamos una pieza el objetivo final que nos marcamos es obtener una medida determinada con cierta tolerancia o calidad superficial. El primer paso será desbastar la pieza hasta una medida próxima a la medida final con baja calidad superficial pero siempre cumpliendo que la rugosidad del desbaste R t desb sea menor que la profundidad del acabado p a. R t desb < p a Es por esta razón que antes de desbastar debemos tener en cuenta la operación de acabado y hallar cual debe ser la profundidad del acabado. Debido a que en el acabado debemos aumentar la calidad superficial de la pieza el avance y la profundidad serán mínimas. Por otro lado debemos evitar las crestas de rugosidad. Al aumentar la velocidad de corte se consigue rebajarlas y redondearlas, por lo que trabajaremos a velocidades de corte elevadas. Otra diferencia con el desbaste es que resulta muy difícil conseguir bajas rugosidades si la punta de la herramienta es quebrada por lo que trabajaremos siempre con puntas redondeadas. De hecho en las herramientas, aunque sean de acero rápido, siempre existe un pequeño radio en la punta debido al desgaste.

24 p180 TECNOLOGÍA MECÁNICA La punta de la herramienta es redondeada Se introduce una herramienta cuya punta no es quebrada sino que posee una redondez de radio r (denominado radio de acuerdo). Se supone que el avance viene determinado por la hipótesis que permite introducir sólo la parte curvilínea de la herramienta en la pieza, esto nos da que debe cumplir la condición: aa 2rcos ε 2 Donde r es el radio de acuerdo y ε el ángulo de punta. De igual forma también se debe cumplir que: Si se cumplen ambas podemos aplicar la fórmula: p a > r a a = 32. Ra. r (mm) Donde Ra (µm) es la rugosidad media teórica que queremos conseguir y r (mm) es el radio de acuerdo. A partir de a a obtenemos p a = 10 a a Diámetro medio Diámetro medio en desbaste Debido a que partimos del redondo de material inicial el cálculo del diámetro medio en desbaste será: Donde Dm es el diámetro medio Df = Di 2 p d Di es el diámetro del redondo de material inicial Diámetro medio en acabado Debido a que partimos de la pieza final que deseamos obtener y no el redondo inicial como en el caso del desbaste el cálculo del diámetro medio en acabado será:

25 p181 Donde Dm es el diámetro medio Df es el diámetro de la pieza final Di = Df + 2p a Velocidad de corte en desbaste o acabado Para hallar la velocidad de corte teórica consultaremos las tablas en función del material de la pieza, tipo de material de la herramienta y en la columna correspondiente al desbaste o al acabado. Se comprobará que tanto el avance como la profundidad está en el intervalo marcado en las tablas. Los valores de velocidad de corte que aparecen en las tablas están calculados para: Esta tabla válida para HERRAMIENTAS de: Metal duro (plaquitas) cuando: Se trabaja en seco La duración del filo es T o = 15 min Acero rápido (HSS) cuando: Se trabaja con taladrina (σ aceite) La duración del fijo es T o = 60 min. DESBASTE ACABADO MATERIAL HERRAMIENTA V C [m/min] a d [mm/rev] p d [mm] V C [m/min] a a [mm/rev] p a [mm] ACERO INOXIDABLE M.D ,25 2 ACERO MOLDEADO M.D ,25 2 FUNDICIÓN GRIS HSS ,25 2 M.D ,25 2 ALUMINIO HSS ,2 1 M.D ,2 1 DURALUMINIO M.D ,2 1 LATÓN HSS ,2 1 M.D ,2 1 BRONCE HSS ,2 1 M.D ,2 1 ACERO AL CARBON O σ R 50 dan/mm 2 σ R σ R σ R 100 HSS M.D. HSS M.D. HSS M.D. HSS M.D , ,5 0, ,5 0, ,5 1 0, ,1 0,2 0,1 0,25 0,1 0,2 0,1 0,25 0,1 0,2 0,1 0,2 0,1 0,2 0,1 0, ,5 1,5 1 1 Nota: La calidad del HSS es la normal (F.552) y las calidades del M.D. utilizado serían las P.10/P.20; K.10/K.20 o M.10/M.20 según corresponda a acabado o desbaste, del acero, la fundición o el acero inoxidable respectivamente. Tabla 5. Tabla orientativa de los valores de las condiciones de corte. torneado. A partir de estos valores calcularemos la velocidad de corte tal como está dada en la máquina, es decir en rpm mediante la fórmula:

26 p182 TECNOLOGÍA MECÁNICA Donde La velocidad de giro del cabezal del torno es n c (rpm) La velocidad de corte es V c (m/min) El diámetro medio es Dm (mm) Velocidades de corte reales Debido a que las máquinas de torneado convencionales no tienen una gama de velocidades continuas sino que suelen seguir una serie de revoluciones discontinua (serie de Renard), debemos escoger las revoluciones que nos marca la máquina más próximas a las que nos da por las tablas. Imaginemos que tenemos una máquina que nos da una gama discontinua de revoluciones en el cabezal. Dentro de toda la gama distinguiremos una parte: , 1420, 1790, 2250, (rpm). El valor obtenido en tablas es por ejemplo 1550 rpm, un valor que está comprendido entre 1420 y 1790 rpm. La máquina no nos dará en el cabezal 1550 rpm por lo que escogeremos entre 1420 o 1790 rpm. Si escogiésemos el valor más bajo, 1420 rpm, la herramienta al trabajar más despacio se desgastaría menos, aumentando la vida por filo de la herramienta. Al tornear más despacio necesitaremos más tiempo para producir las piezas. Si escogiésemos el valor más alto, 1790 rpm, la herramienta al trabajar más rápido se gastará más, disminuyendo la vida de la arista de corte. Al tornear más rápido necesitaremos menos tiempo para producir las piezas. Se escoge el valor menor si se precisa Régimen de mínimo coste ya que necesitaremos menos herramientas para producir la misma cantidad de piezas y por lo tanto tendremos menos costes de herramientas aunque aumenten los costes de máquina. Se utiliza cuando el coste de las herramientas es mayor que el coste de máquina/hora en el tiempo de producción. En cambio se escoge el valor mayor si se quiere un Régimen de máxima producción. En este caso el tiempo de producción disminuirá y por tanto los costes de máquina. Por otro lado, necesitaremos más herramientas para producir la misma cantidad de piezas y por lo tanto tendremos mayores costes de herramientas. Se utiliza este régimen cuando el coste de las herramientas es menor que el coste máquina/hora en el tiempo de producción. Figura 11. Costes de torneado en el caso de que curvas de máquina y herramienta sean iguales.

27 p183 En máquinas de control numérico CN la gama de velocidades de corte al igual de las de avance es continua por lo que la velocidad de corte real será la misma que la obtenida en tablas. Velocidad de avance Centro de torneado por CN (Eagle 30). Cortesía de Yang Velocidad de avance en desbaste La velocidad de avance V a es la velocidad a la que la herramienta avanza a lo largo de la pieza. Por lo que será igual al avance por revolución por el número de revoluciones que da la máquina en un tiempo determinado. Su expresión será: Siendo las unidades de a d (mm/v) y n c (rpm) Va = a d. n c (mm/min) Velocidad de avance en acabado La velocidad de avance V a es la velocidad a la que la herramienta avanza a lo largo de la pieza. Por lo que será igual al avance por revolución por el número de revoluciones que da la máquina en un tiempo determinado. Su expresión será: Siendo las unidades de a a (mm/v) y n c (rpm) Va = a a. n c (mm/min) 8. TIEMPO TOTAL DEL PROCESO Al evaluar y determinar el tiempo de fabricación deben tenerse en cuenta los siguientes factores: Tiempo de preparación Tiempo de operaciones Tiempo de imprevistos Tiempo de mecanizado